CN109826886A - 一种活塞制动系统及其制动方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种活塞制动系统及其制动方法，包括位于发动部件至工作部件之间的传动转轴，还包括与传动转轴相连的活塞，传动转轴转动时带动活塞在缸套内做直线往复运动，活塞与缸套之间构成调压腔，还包括用于调节调压腔内压力的调压机构。调压机构包括与调压腔相连通的进入管、排出管，进入管、排出管内均设置单向阀，排出管内还设置有调节阀。传动转轴每转动一圈，带动活塞进行一次完整的往复运动，过程中将调压腔的体积进行增大与缩小。本发明解决了现有的制动方式都是通过摩擦将动能转换为内能，无法彻底根治刹车磨损导致打滑失效的问题，实现打破现有技术的桎梏、杜绝摩擦受损导致的制动失效的目的。

Description

一种活塞制动系统及其制动方法

技术领域

本发明涉及制动领域，具体涉及一种活塞制动系统及其制动方法。

背景技术

车辆制动系统，又称刹车，是指使运行中的机车、车辆及其他运输工具或机械等停止或减低速度的动作。制动的一般原理是在机器的高速轴上固定一个轮或盘，在机座上安装与之相适应的闸瓦、带或盘，在外力作用下使之产生制动力矩。刹车装置也就是可以减慢车速的机械制动装置，又名减速器。简单来说：汽车刹车踏板在方向盘下面，踩住刹车踏板，则使刹车杠杆联动受压并传至到刹车鼓上的刹车片卡住刹车轮盘，使汽车减速或停止运行。汽车手动刹车是在排挡旁，连于刹车杠。常见的还有自行车刹车，它是靠固定在车架上的杆状制动器或者盘装抱刹制动器等来进行减速的。因此，现有的车辆刹车系统，无论是盘刹还是鼓刹，都是使两个物体相互靠拢接触，利用一个相对固定不动的刹车盘或刹车块去与高速转动过程中的工作部件接触，通过摩擦力的作用，将动能转换成内能进行消耗，以此实现制动刹车效果。自机动车问世以来，这种制动原理已根深蒂固的存在于人们的意识中，虽然这种摩擦制动方式存在易磨损失效的问题，然而现有技术中却始终被这种思维方式所束缚，长期以来的研究方向都是针对如何降低高速摩擦对摩擦件的磨损，为此，经过汽车工业上百年的发展，现有技术也的确从材料本身、涂层组分、甚至结构纹路等角度对刹车的耐磨性取得了非常大的突破。但是，这些突破始终受限于需要依靠相互摩擦将动能转换为内能的技术原理，属于治标不治本的技术方案，刹车打滑或失效在如今依然是导致交通事故的主因之一。

发明内容

本发明的目的在于提供一种活塞制动系统及其制动方法，以解决现有技术中的制动方式都是通过摩擦将动能转换为内能，无法彻底根治刹车磨损导致打滑失效的问题，实现打破现有技术的桎梏、杜绝摩擦受损导致的制动失效的目的。

本发明通过下述技术方案实现：

一种活塞制动系统，包括位于发动部件至工作部件之间的传动转轴，还包括与传动转轴相连的活塞，传动转轴转动时带动所述活塞在缸套内做直线往复运动，活塞与缸套之间构成调压腔，还包括用于调节所述调压腔内压力的调压机构。

针对现有技术中制动方式都是通过摩擦将动能转换为内能，无法彻底根治刹车磨损导致打滑失效的问题，本发明首先提出一种活塞制动系统，制动部位不再是传统的直接作用于轮胎等工作部件，而是在发动部件至工作部件之间的任意传动转轴上均可，对于机动车而言，发动部件即是发动机，工作部件即是轮胎，本发明通过与传动转轴相连的活塞，构成新的传动机构，由传动转轴驱动活塞在缸套内做直线往复运动。活塞与缸套之间是调压腔，调压腔内有空气、水或液压油等流体，通过调压机构来调节调压腔内的压力大小。在平时车辆正常行驶时，控制调压腔内的压力处于预设的初始状态，当需要制动时，逐渐增大调压腔内的压力，活塞往复运动所受到的流体阻力增大，利用调压腔内的压力来实现对活塞的制动，活塞逐渐减速的过程中，调压腔内的流体压力通过活塞及活塞杆作用在传动转轴上，从而对传动转轴施加径向的作用力，使传动转轴转速降低，从而使得工作部件的转速降低，实现制动效果。当调压腔内的压力将传动转轴顶死时，即实现了工作部件的完全刹车。本发明工作过程中，无需使用刹盘或刹块等与高速转动的工作部件进行摩擦，克服了现有技术中容易摩擦受损进而失效的问题，通过流体压力作用在任意部位的传动转轴上即可。传动转轴与活塞的连接优选的使用现有技术中的发动机活塞与曲轴连接的方式即可，此外也可通过相互配合的齿轮、同步带等实现传动关系，本领域技术人员可以根据需要灵活设置具体的连接方式，故在此不做限定。

所述调压机构包括与所述调压腔相连通的进入管、排出管，所述进入管内设置朝向调压腔内连通的单向阀，所述排出管内设置朝着远离调压腔的方向连通的单向阀，所述排出管内还设置有调节阀。传动转轴每转动一圈，带动活塞进行一次完整的往复运动，过程中将调压腔的体积进行增大与缩小。当活塞将调压腔体积拉大时，流体从进入管内进入调压腔内，调压腔内流体增多；当活塞将调压腔体积压小时，流体从排出管排出。在正常行驶时，进入管、排出管均完全打开，活塞在一次往复过程中吸入与推出的流体相等，流体流速保持稳定。当需要制动时，适当关闭排出管内的调节阀，使排出管的通径减小，此时活塞在一次往复运动的过程中，吸入调压腔内的流体体积保持不变，而排出时所遭受的阻力更大，变相增大了调压腔内的压力，流体必然以更快的速度从排出管中向外喷出。从能量转换的角度来看，此过程中，除了活塞无法避免的摩擦外，其余能量是从传动转轴的动能转化成了流体的动能进行消耗，由于车辆行驶时的转速极高，因此在短时间内能够通过排出管喷出大量高动能的流体进行能量的消耗，实现对活塞往复频率的降低，以此实现对传动转轴转速的逐渐降低，达到制动效果。当排出管内的调节阀完全关闭时，调压腔只能进入流体无法排出流体，随着传动转轴的转动会迅速使得调压腔内压力急剧升高，当传动转轴的动能无法再压缩调压腔内的流体时，传动转轴即可完全刹止。本方案中彻底摒弃了几十上百年来机动车行业通过盘刹鼓刹等进行相互摩擦、将动能转化成相互摩擦的零部件的内能来实现制动刹车的方式，而是通过将动能转化成流体不断高速喷射的动能，来实现对传动转轴转速的降低，仅有的摩擦也是活塞与缸套之间的摩擦，而活塞与缸套之间的摩擦属于非常成熟的领域，如常见的活塞泵中就有这种高速往复的结构，能够长期稳定的工作，本领域技术人员完全能够实现；并且，由于活塞与缸套之间的摩擦不是本发明主要的耗能点，制动效果不是依靠该摩擦产生的，因此该部位无论磨损与否都不会影响本发明正常的对传动转轴的制动效果，相较于现有技术中一旦刹车摩擦部件磨损，则非常容易导致刹车打滑、失效的方式而言，显著提高了制动安全性和稳定性。此外，传统的刹车方式需要专门为盘刹或鼓刹提供动力，驱动其刹片贴靠在转动部件的表面，通过增大压力的方式来增大相互摩擦力，实现稳定制动，其制动过程需要依靠持续施加的压力来实现。而本发明中，需要制动刹车时，无需额外提供动力，仅需控制排出管内的调节阀的通路大小，即可通过结构变化来实现能量转换，为传动转轴提供不同的制动力，制动过程中的动力来自传动转轴自身的动能，因此相较于现有技术中需要额外驱动刹片移动并向其持续施加压力的方式，本发明无需再为制动系统配置额外的驱动组件，不仅显著简化结构、降低制动成本，还能够减少制动过程中的能源消耗。

所述活塞的活塞杆与所述传动转轴形成曲柄连杆结构，所述曲柄连杆结构的曲柄位于传动转轴上，所述曲柄连杆结构的连杆为活塞杆。即是传动转轴转动带动曲柄同步转动，进而通过活塞杆推动活塞进行直线往复运动。本结构常用于发动机曲轴上，本领域技术人员均可实现。

所述调压机构还包括与所述进入管、排出管相连的油缸，所述油缸内具有液压油。本方案使用液压油作为制动介质，相较于使用压缩空气或水等流体而言，稳定性与制动力都有显著提高。液压油从油缸内经过进入管进入调压腔，又经过排出管回到油缸内，实现循环使用。

所述进入管连接在油缸的底部；在所述活塞的行程范围内，油缸内液压油的最高液位高度，低于排出管与油缸连接处的高度。使得从排出管中正常排出或喷出的液压油，均是从液压油的液面以上喷出，确保高速喷射的顺利进行。

还包括旁通管，旁通管上设置旁通阀，所述进入管内也设置调节阀，所述旁通管的一端连通至进入管内的单向阀与调节阀之间、另一端连通至所述油缸；在所述活塞的行程范围内，油缸内液压油的最高液位高度，低于旁通管与油缸连接处的高度。为了避免单流阀对流体的沿程损耗增加活塞运动过程中的阻力，本发明还设置旁通管，旁通管上设置旁通阀。当无需制动正常工作时，关闭进入管上的调节阀，打开旁通阀，此时随着活塞的往复运动，油缸内部液位上方的气体从旁通管进通入进入管中，再经过进入管内的单向阀进入调压腔中，调压腔中都是气体，易于压缩，使得活塞运动过程中的阻力极小，而进入调压腔内的气体又通过排出管回到油缸内部，从液压油的液位上方喷出，此时的整个流体循环过程均由气体完成，液压油完全不参与，因此能够确保车辆正常行驶时，本制动系统所传动转轴的干扰极小，所需克服的仅仅是活塞的质量，相较于发动机动辄几百牛米的输出扭矩而言，完全可以忽略不计。而当需要制动时，关闭旁通阀，打开进入管内的调节阀即可。因此本方案中旁通阀与进入管内的调节阀优选的使用电磁阀，便于驾驶员一键控制实现两个阀门的同时快速动作。

与传动转轴相连的两个所述活塞构成一个活塞组；所述传动转轴转动时，活塞组内的两个调压腔的体积始终一个增大、另一个减小。本方案在传动转轴上设置至少一个活塞组，活塞组内有两个行程相反的活塞，即是一个活塞向调压腔内吸入流体时，另一个活塞就从调压腔内排出流体。两个活塞上对应的阀门均同时动作，从而保持两个活塞随时都处于相同的工作状态下。制动时，活塞在一个行程过程中，只有推动流体喷出时才能够将活塞的动能转换成高速射流的动能进行消耗，因此调压腔体积增大的过程中难以起到制动作用，虽然以机动车传动转轴的转速来看，活塞一个行程的耗时极低，甚至只有零点零几至零点几秒，但是在紧急制动过程中，分秒必争才能够提高安全效率，因此本方案作为优选结构，通过一个活塞组内两个反相的活塞，使得一个活塞在增大调压腔内部空间、起不到减速效果时，另一个活塞正好在压缩调压腔内部空间，将流体高速喷出，从而确保一旦开始制动，则本发明就能够持续、稳定的对传动转轴的转速进行降低，稳定、安全的进行高效制动。

还包括位于调压腔内的压力传感器，所述调压机构根据压力传感器的监测信息来调节调压腔内的压力。同时压力传感器能够为驾驶员提供调压腔内的压力信号，便于监控，便于及时发现异常情况。

活塞制动系统的制动方法，包括非制动状态、减速状态、刹车状态：

所述非制动状态为：使进入管、调压腔、排出管连通成流体能够单向流动的闭合通路；

所述减速状态为：减小排出管的过流面积，使活塞压缩调压腔时的阻力增大，流体从排出管内喷出的速率增大；

所述刹车状态为：关闭排出管，使流体无法通过排出管排出调压腔；传动转轴带动活塞做一次往复运动，调压腔内压力升高一次。

还包括与所述进入管、排出管相连的油缸；在非制动状态下，液压油始终全部处于油缸内，油缸、旁通管、进入管、调压腔、排出管依次形成气体单向流动的回路。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明一种活塞制动系统及其制动方法，从能量转换的角度来看，制动过程中能量是从传动转轴的动能转化成了流体的动能进行消耗，由于车辆行驶时的转速极高，因此在短时间内能够通过排出管喷出大量高动能的流体进行能量的消耗，实现对活塞往复频率的降低，以此实现对传动转轴转速的逐渐降低，达到制动效果。本发明无需使用刹盘或刹块等与高速转动的工作部件进行摩擦，克服了现有技术中容易摩擦受损进而失效的问题。

2、本发明一种活塞制动系统及其制动方法，当排出管内的调节阀完全关闭时，调压腔只能进入流体无法排出流体，随着传动转轴的转动会迅速使得调压腔内压力急剧升高，当传动转轴的动能无法再压缩调压腔内的流体时，传动转轴即可完全刹止。

3、本发明一种活塞制动系统及其制动方法，传统的刹车方式需要专门为盘刹或鼓刹提供动力，驱动其刹片贴靠在转动部件的表面，通过增大压力的方式来增大相互摩擦力，实现稳定制动，其制动过程需要依靠持续施加的压力来实现。而本发明中，需要制动刹车时，无需额外提供动力，仅需控制排出管内的调节阀的通路大小，即可通过结构变化来实现能量转换，为传动转轴提供不同的制动力，制动过程中的动力来自传动转轴自身的动能，因此相较于现有技术中需要额外驱动刹片移动并向其持续施加压力的方式，本发明无需再为制动系统配置额外的驱动组件，不仅显著简化结构、降低制动成本，还能够减少制动过程中的能源消耗。

4、本发明一种活塞制动系统及其制动方法，当无需制动正常工作时，关闭进入管上的调节阀，打开旁通阀，此时的整个流体循环过程均由气体完成，液压油完全不参与，因此能够确保车辆正常行驶时，本制动系统所传动转轴的干扰极小，所需克服的仅仅是活塞的质量，相较于发动机动辄几百牛米的输出扭矩而言，完全可以忽略不计。

5、本发明一种活塞制动系统及其制动方法，通过一个活塞组内两个反相的活塞，使得一个活塞在增大调压腔内部空间、起不到减速效果时，另一个活塞正好在压缩调压腔内部空间，将流体高速喷出，从而确保一旦开始制动，则本发明就能够持续、稳定的对传动转轴的转速进行降低，稳定、安全的进行高效制动。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明具体实施例1的结构示意图；

图2为本发明具体实施例1的结构示意图；

图3为本发明具体实施例1的正视图；

图4为本发明具体实施例1过A-A方向线的剖视图；

图5为本发明具体实施例1的侧视图；

图6为本发明具体实施例1过B-B方向线的剖视图；

图7为本发明具体实施例2的示意图；

图8为本发明具体实施例3的结构示意图；

图9为本发明具体实施例3的示意图；

图10为本发明具体实施例4的示意图；

图11为本发明具体实施例5的示意图；

图12为本发明具体实施例5的示意图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-传动转轴，2-活塞杆，3-活塞，4-缸套，5-调压腔，6-进入管，7-排出管，8-单向阀，9-调节阀，10-油缸，11-旁通管，12-旁通阀，13-压力传感器。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1：

如图1至图6所示的一种活塞制动系统，包括位于发动部件至工作部件之间的传动转轴1，还包括与传动转轴1相连的活塞3，传动转轴1转动时带动所述活塞3在缸套4内做直线往复运动，活塞3与缸套4之间构成调压腔5，还包括用于调节所述调压腔5内压力的调压机构。所述调压机构包括与所述调压腔5相连通的进入管6、排出管7，所述进入管6内设置朝向调压腔5内连通的单向阀8，所述排出管7内设置朝着远离调压腔5的方向连通的单向阀8，所述排出管7内还设置有调节阀9。所述活塞3的活塞杆2与所述传动转轴1形成曲柄连杆结构，所述曲柄连杆结构的曲柄位于传动转轴1上，所述曲柄连杆结构的连杆为活塞杆2。

本实施例的制动方法包括非制动状态、减速状态、刹车状态：

所述非制动状态为：使进入管6、调压腔5、排出管7连通成流体能够单向流动的闭合通路；

所述减速状态为：减小排出管7的过流面积，使活塞3压缩调压腔5时的阻力增大，流体从排出管7内喷出的速率增大；

所述刹车状态为：关闭排出管7，使流体无法通过排出管7排出调压腔5；传动转轴1带动活塞3做一次往复运动，调压腔5内压力升高一次。

实施例2：

如图1至图7所示的一种活塞制动系统，在实施例1的基础上，所述调压机构还包括与所述进入管6、排出管7相连的油缸10，所述油缸10内具有液压油。所述进入管6连接在油缸10的底部；在所述活塞3的行程范围内，油缸10内液压油的最高液位高度，低于排出管7与油缸10连接处的高度。还包括旁通管11，旁通管11上设置旁通阀12，所述进入管6内也设置调节阀9，所述旁通管11的一端连通至进入管6内的单向阀8与调节阀9之间、另一端连通至所述油缸10；在所述活塞3的行程范围内，油缸10内液压油的最高液位高度，低于旁通管11与油缸10连接处的高度。本实施例在油缸10内设置压力传感器13，用于监测油缸内压力。

其中，进入管6内的调节阀9只需实现关断与开启功能即可，因此可优选的使用现有技术中任意具有关闭功能的阀门，本领域技术人员可根据实际情况选用具体阀门类型；即使该阀门只具有开启与关闭功能，不能够进行过流面积的调节，也能够满足在本实施例中的使用。

本实施例用于机动车制动中，在正常行驶时，进入管6、排出管7均完全打开，活塞在一次往复过程中吸入与推出的流体相等，流体流速保持稳定。当需要制动时，适当关闭排出管7内的调节阀，使排出管7的通径减小，此时活塞在一次往复运动的过程中，吸入调压腔5内的流体体积保持不变，而排出时所遭受的阻力更大，变相增大了调压腔5内的压力，流体必然以更快的速度从排出管7中向外喷出。

优选的实施方式是：使排出管7与油缸连接处始终位于液压油内部，此时从排出管7中喷出的流体需要克服油缸内液压油的静液压力，因此喷射过程中耗能更大，通过更低的喷射流速即可实现同等能量的消耗，不仅将能量转换成了喷射出的液压油的动能，还有部分转换成了油缸内液压油的动能与内能，进一步提高了能量转换效率，并且还可以降低高速射流对油缸的冲击。

实施例3：

如图1至图9所示的一种活塞制动系统，与传动转轴1相连的两个所述活塞3构成一个活塞组；所述传动转轴1转动时，活塞组内的两个调压腔5的体积始终一个增大、另一个减小。还包括位于调压腔5内的压力传感器，所述调压机构根据压力传感器的监测信息来调节调压腔5内的压力。

实施例4：

如图10所示，在实施例3的基础上，一个活塞组内的两个活塞同向并排。

实施例5：

图11与图12展示了另一种实施例的结构。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种活塞制动系统，包括位于发动部件至工作部件之间的传动转轴(1)，其特征在于，还包括与传动转轴(1)相连的活塞(3)，传动转轴(1)转动时带动所述活塞(3)在缸套(4)内做直线往复运动，活塞(3)与缸套(4)之间构成调压腔(5)，还包括用于调节所述调压腔(5)内压力的调压机构。

2.根据权利要求1所述的一种活塞制动系统，其特征在于，所述调压机构包括与所述调压腔(5)相连通的进入管(6)、排出管(7)，所述进入管(6)内设置朝向调压腔(5)内连通的单向阀(8)，所述排出管(7)内设置朝着远离调压腔(5)的方向连通的单向阀(8)，所述排出管(7)内还设置有调节阀(9)。

3.根据权利要求2所述的一种活塞制动系统，其特征在于，所述活塞(3)的活塞杆(2)与所述传动转轴(1)形成曲柄连杆结构，所述曲柄连杆结构的曲柄位于传动转轴(1)上，所述曲柄连杆结构的连杆为活塞杆(2)。

4.根据权利要求2所述的一种活塞制动系统，其特征在于，所述调压机构还包括与所述进入管(6)、排出管(7)相连的油缸(10)，所述油缸(10)内具有液压油。

5.根据权利要求4所述的一种活塞制动系统，其特征在于，所述进入管(6)连接在油缸(10)的底部；在所述活塞(3)的行程范围内，油缸(10)内液压油的最高液位高度，低于排出管(7)与油缸(10)连接处的高度。

6.根据权利要求5所述的一种活塞制动系统，其特征在于，还包括旁通管(11)，旁通管(11)上设置旁通阀(12)，所述进入管(6)内也设置调节阀(9)，所述旁通管(11)的一端连通至进入管(6)内的单向阀(8)与调节阀(9)之间、另一端连通至所述油缸(10)；在所述活塞(3)的行程范围内，油缸(10)内液压油的最高液位高度，低于旁通管(11)与油缸(10)连接处的高度。

7.根据权利要求1所述的一种活塞制动系统，其特征在于，与传动转轴(1)相连的两个所述活塞(3)构成一个活塞组；所述传动转轴(1)转动时，活塞组内的两个调压腔(5)的体积始终一个增大、另一个减小。

8.根据权利要求1所述的一种活塞制动系统，其特征在于，还包括位于调压腔(5)内的压力传感器，所述调压机构根据压力传感器的监测信息来调节调压腔(5)内的压力。

9.基于权利要求1至8中任一所述活塞制动系统的制动方法，其特征在于，包括非制动状态、减速状态、刹车状态：

所述非制动状态为：使进入管(6)、调压腔(5)、排出管(7)连通成流体能够单向流动的闭合通路；

所述减速状态为：减小排出管(7)的过流面积，使活塞(3)压缩调压腔(5)时的阻力增大，流体从排出管(7)内喷出的速率增大；

所述刹车状态为：关闭排出管(7)，使流体无法通过排出管(7)排出调压腔(5)；传动转轴(1)带动活塞(3)做一次往复运动，调压腔(5)内压力升高一次。

10.根据权利要求9所述的活塞制动系统的制动方法，其特征在于，还包括与所述进入管(6)、排出管(7)相连的油缸(10)；在非制动状态下，液压油始终全部处于油缸(10)内，油缸(10)、旁通管(11)、进入管(6)、调压腔(5)、排出管(7)依次形成气体单向流动的回路。